董云橋

（南華大學機械工程學院 湖南衡陽 421001）

引言

單片機課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)課，主要講授單片機硬件結(jié)構(gòu)及原理、匯編語言及程序設(shè)計、中斷與定時、系統(tǒng)擴展、接口技術(shù)等知識。通過本門課程的學習，學生應(yīng)該能夠設(shè)計簡單的自動化或智能化系統(tǒng)。以南華大學機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)為例，本專業(yè)學生對單片機課程基礎(chǔ)理論知識掌握程度較高，但是對單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計能力較差，解決復(fù)雜機電工程問題的能力不足。通過近幾年單片機課程教學實踐經(jīng)驗分析，作者認為造成這一現(xiàn)象的主要原因有：首先，機械專業(yè)學生對電路知識較為陌生，課程自主學習興趣不高；其次，教師授課過程偏重理論知識教學，對學生實踐能力培養(yǎng)不夠；第三，課時量較少是學生缺乏實踐能力綜合訓練的客觀原因。因此，本文提出了單片機課程項目式教學改革方案，通過對單片機課程教學內(nèi)容、教學安排、考核評價體系進行改革研究，設(shè)計4至6個工程項目案例，全面提高學生的創(chuàng)造能力和綜合實踐能力。

項目式教學不是一種新的教學理念，在很多課程中得到了應(yīng)用與實踐。邱旋等結(jié)合現(xiàn)有機器設(shè)備，在工業(yè)機器人綜合實訓中實施項目式教學，提高了學生的工程應(yīng)用能力。來升等在汽車流體傳動與控制課程中加入汽車液壓系統(tǒng)項目案例，提高了學生學習的主動性和實際動手能力[1]。趙桂艷等在傳感器與檢測技術(shù)課中提出了基于項目式教學方法的課程教學改革方案，通過優(yōu)化教學內(nèi)容、教學模式以及考核方式，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的創(chuàng)新能力和綜合實踐能力[2]。王振華等在數(shù)控機床實訓課程中實施項目式教學，實踐表明學生提高了解決實際工程問題的能力[3]。于穎等在單片機課程中實施項目式教學，并且針對電氣專業(yè)的特點，優(yōu)化了項目式教學內(nèi)容，提高了學生學習的主動性和實踐能力[4]。

綜上所述，在機械專業(yè)單片機課程教學中實施項目式教學在理論上和實踐上是可行的。本文將針對機械專業(yè)學生的特點，依據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標，按照工程教育專業(yè)認證的要求，對單片機課程教學方法和教學內(nèi)容進行改革。通過引入項目教學方法，加強校企合作協(xié)同育人，更加注重學生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，最終目標是培養(yǎng)出卓越拔尖人才，契合新工科建設(shè)需求[5]。

一、課程教學內(nèi)容體系改革

機械專業(yè)單片機課程的主要教學內(nèi)容包括單片機硬件結(jié)構(gòu)及原理、匯編語言及程序設(shè)計、中斷與定時、單片機系統(tǒng)的擴展、接口技術(shù)。為了在授課過程理論與實踐并重，便于順利開展項目式教學，對課程教學內(nèi)容進行了適當?shù)脑鰷p。

1.刪減的教學內(nèi)容

（1）刪除數(shù)制及其轉(zhuǎn)換教學內(nèi)容。

單片機學習過程中要能夠快速準確地實現(xiàn)二進制、十進制和十六進制之間的相互轉(zhuǎn)換，因此，數(shù)制及其轉(zhuǎn)換是學生必須掌握的內(nèi)容。但是學生在高中階段已經(jīng)學習了數(shù)制及其轉(zhuǎn)換相關(guān)內(nèi)容，在大學計算機課程中也涉及了相關(guān)學習內(nèi)容。因此，數(shù)制及其轉(zhuǎn)換不是本門課程的教學重點，應(yīng)該予以刪除。上課時，僅需簡單介紹不同數(shù)制，具體如何實現(xiàn)不同數(shù)制的轉(zhuǎn)換，由學生在課后自學，并布置相關(guān)作業(yè)，檢測學生是否已經(jīng)掌握二進制、十進制和十六進制之間的相互轉(zhuǎn)換。

（2）刪除尋址方式教學內(nèi)容。

尋址方式，即如何找到操作數(shù)的地址，把操作數(shù)提取出來的方法。它是匯編語言程序設(shè)計中重要的內(nèi)容。但是，我們后續(xù)學習的重點內(nèi)容是C51程序設(shè)計，使用C語言去解決較為復(fù)雜的機電工程問題。因此，尋址方式教學內(nèi)容應(yīng)予以刪除，主要介紹匯編語言指令格式和描述操作數(shù)的簡記符號。

（3）減少指令系統(tǒng)教學內(nèi)容。

MCS-51系列單片機總共有111條指令，逐條介紹這些指令會耗費大量的課堂教學時間，并且會降低學生學習的積極性和主動性。因此，應(yīng)該減少指令系統(tǒng)教學內(nèi)容。根據(jù)指令的功能把這111條指令分為數(shù)據(jù)傳送與交換、算術(shù)運算、邏輯運算及移位和控制轉(zhuǎn)移四大類，每一類針對較為典型的、常用的指令進行詳細介紹，其他相關(guān)的指令簡單介紹，并布置相關(guān)課后自主學習任務(wù)和練習題。

2.增加的教學內(nèi)容

（1）增加電路相關(guān)知識。

由于機械專業(yè)學生對電路知識較為陌生，在講解單片機硬件結(jié)構(gòu)及其電路原理時，學生對電路圖理解不夠，學習有困難。因此，在講解電路圖原理時，應(yīng)該增加電子電工技術(shù)相關(guān)知識，讓學生能夠更好地理解單片機結(jié)構(gòu)原理。

（2）增加C51程序設(shè)計教學內(nèi)容

匯編語言屬于低級編程語言，雖然能夠直接對相應(yīng)硬件進行操作，但是編程時必須具體組織、分配存儲器資源和處理端口數(shù)據(jù)，這樣編程效率不高，無法適應(yīng)復(fù)雜機電工程問題。而C51語言是基于51系列單片機設(shè)計的一種C語言，它是一種高級語言，編程方便，效率高，應(yīng)用十分廣泛，適合解決復(fù)雜機電工程問題。C51語言已成為51系列單片機程序開發(fā)的主流軟件方法【6】。因此，為了能夠成功實施項目式教學，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力，需要增加C51程序設(shè)計相關(guān)教學內(nèi)容。此外，本專業(yè)學生在大一階段已經(jīng)學習了C語言，因此，學習C51程序設(shè)計并不存在較大困難。

二、工程項目案例設(shè)計

工程項目案例是本文重點研究內(nèi)容，是成功實施項目式教學方法的關(guān)鍵。工程項目案例設(shè)計時既不能直接照抄以往的實驗項目（問題難度較低），也不能設(shè)計出學生在給定時間內(nèi)無法完成的項目。通過與教研室其他授課老師討論，并且咨詢了湖南威頌電力科技有限公司、廣州粵嵌通信科技股份有限公司等相關(guān)企業(yè)專家，最終確定了以下5個工程項目案例。

1.計數(shù)顯示器設(shè)計

該案例的主要目的是使學生熟悉51單片機的基本輸入/輸出應(yīng)用，熟悉C51程序設(shè)計與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計及仿真方法。設(shè)計的計數(shù)顯示器應(yīng)該具有以下功能：可統(tǒng)計輸入按鈕的按壓次數(shù)，并將按壓結(jié)果已十進制數(shù)顯示出來，當顯示數(shù)值達到99以后可自動從1開始，無限循環(huán)下去。最后需要完成計數(shù)顯示器實物的制作，并完成相應(yīng)實驗報告。

2.電子秒表顯示器設(shè)計

該案例的主要目的是使學生掌握51單片機中斷與定時器的應(yīng)用，熟悉C51程序設(shè)計與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計及仿真方法。設(shè)計的電子秒表顯示器應(yīng)該具有以下功能：數(shù)碼管的初始值顯示為00，當產(chǎn)生1秒的時間，秒計數(shù)器加1，秒計數(shù)器到60時清0，并從00重新開始，無限循環(huán)下去。最后需要完成電子秒表顯示器實物制作，并完成相應(yīng)實驗報告。

3.數(shù)字式熱敏電阻溫度計設(shè)計

該案例的主要目的是使學生掌握LED顯示、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計的方法，熟悉C51程序設(shè)計與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計及仿真方法。設(shè)計的數(shù)字式熱敏電阻溫度計應(yīng)該具有以下功能：把熱敏電阻兩端的電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，然后通過軟件方法計算得到溫度值，再進行顯示處理，溫度顯示范圍為+10～+150攝氏度。最后需要完成數(shù)字式熱敏電阻溫度計實物制作，并完成相應(yīng)實驗報告。

4.直流數(shù)字電壓表設(shè)計

該案例的主要目的是使學生掌握LED動態(tài)顯示和接口設(shè)計的方法，熟悉C51程序設(shè)計與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計及仿真方法。設(shè)計的直流數(shù)字電壓表應(yīng)該具有以下功能：調(diào)解電位器可使其輸出電壓在0～5V之間變化，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)碼管以十進制數(shù)形式動態(tài)顯示電位器的調(diào)節(jié)電壓。最后需要完成直流數(shù)字電壓表實物制作，并完成相應(yīng)實驗報告。

5.步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

該案例的主要目的是使學生了解步進電機控制的基本原理，掌握單片機與步進電機接口電路設(shè)計，熟悉C51程序設(shè)計與調(diào)試方法，掌握電路原理圖的設(shè)計及仿真方法。設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能：K1開關(guān)作為啟動和停止鍵，高電平啟動，低電平停止；K2開關(guān)作為方向鍵，高電平正向轉(zhuǎn)動，低電平反向轉(zhuǎn)動；能夠?qū)Σ竭M電機進行調(diào)速；各運行狀態(tài)分別用LED燈進行指示。最后需要完成步進電機控制系統(tǒng)程序設(shè)計，并能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的控制，完成相應(yīng)實驗報告。

在進行項目式教學時，每個班的學生分成4至5個項目小組，每個小組從上述5個工程項目案例中選取一個工程項目，然后各組成員分工合作，共同完成這一項目。通過項目的方式，讓學生能夠主動參與學習活動，提高他們的學習積極性和綜合實踐能力。

三、教學安排改革

因為對課程教學內(nèi)容進行了調(diào)整，尤其是增加了C51程序設(shè)計課堂教學內(nèi)容和工程項目實踐課程，所以原有的教學課時量無法滿足改革后的教學要求。因此，必須對原來教學安排進行改革，重新分配各教學內(nèi)容的課時量。單片機課程原來是2.5個學分，包含32個理論課時和8個實驗課時。由于增加了理論課教學內(nèi)容和實踐課教學內(nèi)容，因此，需要增加8個理論課時和16個實驗課時。其中增加的8個理論課時主要用于C51程序設(shè)計和C51仿真開發(fā)環(huán)境內(nèi)容講解，如果理論課教學中有涉及工程項目案例的知識點，也需要重點講解。新增的16個實驗課時全部用于工程項目實踐教學。

四、課程考核評價體系改革

由于采用項目式教學模式，原有考核評價方式不再適用，與合作企業(yè)技術(shù)人員共同制定一種適合項目式教學的課程考核評價體系。由于每一位學生在項目中所擔任的角色不同，每一個項目組的研究進度有差別。因此，需針對每一個項目設(shè)定進度表，建立平時成績標準，同時仔細研究項目任務(wù)達成度和豐盈度，建立課程學習效果的總體評價標準。對于同一項目組的不同成員的考核評價，則需研究任務(wù)的難易程度，并考慮任務(wù)之間的協(xié)同性，建立科學的考核評價體系。

基于上述原則，重新制定了單片機課程考核評價體系，各部分考核成績占比如下：期末考試成績占總評成績的50%，課堂表現(xiàn)和作業(yè)成績占總評成績的20%，實驗成績包括一般實驗和工程項目實驗，占總評成績的30%。期末考試、課堂表現(xiàn)、作業(yè)和一般實驗評分標準與之前一致。工程項目實驗成績評分標準需要重新制定，具體考核內(nèi)容如下。

1.實驗方案設(shè)計

主要考查實驗方案是否合理可行，能否達到項目任務(wù)書的要求，整體實驗方案是否符合科學性，是否有完整的系統(tǒng)性。通過對實驗方案進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權(quán)重為0.2。

2.創(chuàng)新性

主要考查實驗方案是否具有創(chuàng)新內(nèi)容，實驗過程中、數(shù)據(jù)處理和分析過程中是否有創(chuàng)新活動和結(jié)論。通過對實驗方案進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權(quán)重為0.2。

3.實踐能力及團隊協(xié)作能力

主要考查實驗?zāi)芰蛨F隊協(xié)作能力，是否熟練使用相關(guān)儀器設(shè)備，團隊協(xié)作是否有效運轉(zhuǎn)。實驗過程中對每組成員進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權(quán)重為0.1。

4.問題分析與解決能力

主要考查實驗過程中分析問題并解決問題的能力，當程序不能運行或者運行結(jié)果不正確時，是否能夠發(fā)現(xiàn)問題，并主動查閱資料解決問題。實驗過程中對每組成員進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權(quán)重為0.1。

5.實驗報告

主要考查實驗報告是否規(guī)范、完整，能否體現(xiàn)出實驗的綜合性。課程完成后對每組成員的實驗報告進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權(quán)重為0.2。

6.現(xiàn)場答辯

主要考查現(xiàn)場答辯是否流利，是否能清晰地闡述實驗的主要內(nèi)容，是否能正確地回答與實驗有關(guān)的問題。對每組成員的答辯進行評價，成績分為五個等級，此項成績在整個工程項目成績中權(quán)重為0.2。

結(jié)語

本文針對機械類專業(yè)學生學習單片機課程過程中出現(xiàn)的問題，提出了基于項目式教學方法的改革方案。在項目式教學方案中，對單片機課程教學內(nèi)容進行了改革，增加了電路知識和C51程序設(shè)計教學內(nèi)容，并刪除了部分學生可以通過自學掌握的內(nèi)容；設(shè)計了5個難度適中的工程項目案例；針對增加的教學內(nèi)容和工程項目實驗，重新分配了課時量；最后對課程考核評價體系進行了改革，制定了針對工程項目實驗的成績評定標準。通過項目式教學方法，能夠提高學生學習的主動性，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。